Физика на пальцах. Для детей и родителей, которые хотят объяснять детям - Александр Никонов

Настоящие, реальные кванты, частицы или фотоны отличаются от виртуальных тем, что реальные фотоны – это обычный свет, обычное электромагнитное излучение. Его можно «поймать» на фотопластинку или глазом, отразить зеркалом, уловить антенной. А вот виртуальные фотоны – никак. Едва возникнув, они обязаны тут же поглотиться, не успев как следует проявиться в этот мир.

Почему?

Потому что в нашем мире, друзья мои, ничто не возникает из ниоткуда и никуда не пропадает, ибо действуют строгие законы сохранения. Подумайте сами – электроны все время пуляют вокруг себя этими фотонами. А ведь каждый фотон – это «порция энергии» в чистом, рафинированном виде. При таком «расходе патронов» электрон вскоре вовсе потерял бы всю энергию своего существования! А он ничего не теряет, а спокойно живет.

Да, бывают случаи, когда электрон излучает реальный, настоящий фотон. Но для излучения фотона электрон должен быть возбужденным, то есть ранее уже поглотившим фотон света. Принцип прост: сначала электрон поглотил фотон, возбудился, то есть стал энергичнее ровно на эту порцию энергии, а потом выплюнул ее обратно в виде фотона. Именно так и происходит отражение света от предметов. Чуть позже мы об этом еще поговорим подробнее.

Но обычный спокойный, «домашний» электрон в атоме, кружащийся в мягких тапочках по своей уютной орбитали вокруг ядра, просто не имеет лишней энергии, чтобы бездарно тратить ее, выстреливая из себя фотон за фотоном, информируя всех о своем присутствии!

Поэтому физикам пришлось придумывать, то есть дополнять свою теорию некими виртуальными фотонами. Которые все-таки как бы излучаются электроном, как бы нарушая закон сохранения энергии. Но само это нарушение, само появление или «полупоявление» этих виртуальных фотонов в нашем мире возможно лишь потому, что существует принцип неопределенности, допускающий на короткое время нарушение законов сохранения – но на такое короткое время, чтобы засечь это нарушение было никак нельзя. Этакая флуктуация, то есть случайное колебание в рамках допустимой неопределенности.

И если реальные фотоны видят все, кому не лень, то виртуальные «видят» только обменивающиеся ими частицы. По сути – это призраки. Чистая выдумка физиков. Теоретический конструкт, рожденный в их головах. Однако эти неуловимые призраки передают вполне реальное взаимодействие: бац! и бильярдные шары со стуком разлетелись в разные стороны – просто потому, что электроны, находящиеся на их поверхностях, обменялись виртуальными фотонами. Которых как бы и не существует. Или их не существует без всяких «как бы»? Ведь что такое «существует»?

Существует – значит проявляет себя! А виртуальные фотоны принципиально невозможно засечь никакими приборами. И проявляют они себя только так – через взаимодействие между элементарными частицами, из которых состоит весь мир.

Ну и как проверить, есть ли они «на самом деле»? Да никак! В теории они существуют и объясняют, как происходит взаимодействие. А кроме теорий наука больше ничем, в общем-то, и не оперирует.

Ладно. С этим примерно разобрались – электромагнитное взаимодействие передается с помощью фотонов. А остальные виды взаимодействия?

Да так же!

Гравитационное — передается с помощью квантов гравитационного поля – гравитонов. Причем если реальные электромагнитные фотоны прекрасно изучены и легко наблюдаемы, то гравитоны экспериментально еще не обнаружены.

Сильное взаимодействие, которое скрепляет в ядре атома между собой протоны и нейтроны, передается сильным полем, носителем которого являются кванты этого поля – виртуальные пи-мезоны. Нуклоны в ядре буквально окружены шубой из виртуальных пи-мезонов.

Ну, а носителем слабого взаимодействия являются кванты слабого поля со странным названием векторные бозоны.

Подробный рассказ об этих и других элементарных частицах – тема для отдельной книжки, однако пару слов об этом сказать стоит.

Мы с вами твердо знаем: самые лучшие элементарные частицы – электрон, протон и нейтрон. Я бы на каждом из них знак качества поставил, настолько они отличные! Именно из этих кирпичиков сделан весь окружающий нас мир – воздух, зеркало, папа с мамой, мороженое, деньги, солнце и прочие полезные в быту предметы. Все остальные частицы по сравнению с этими – сущий мусор.

А какие остальные?

Ну, вот, например, уже знакомое нам нейтрино, про которое мы вскользь упоминали ранее и которое получается при распадных, то есть слабых взаимодействиях. Напомню: при распаде свободного нейтрона, который живет 15 минут, получаются протон, электрон и то самое нейтрино. Возникнув, оно уже не взаимодействует с веществом и улетает прочь навсегда со скоростью света, более никому никогда уже не мешая и практически не вступая ни в какие реакции. Сущий пустяк! Вселенский вздор. Мировой мусор.

Ну, еще мы с некоторой натяжкой можем включить в список известных нам частиц фотон – «кусочек света», хоть это и безмассовая частица, в том смысле, что она не имеет массы покоя: фотон нельзя остановить, он может только лететь со скоростью света, как и нейтрино. Только нейтрино просто пронзает любую материю, не замечая, и улетает дальше, а когда фотон хлопается о какое-то вещество, он просто перестает существовать. Куда же он девается? Мы ведь твердо знаем из законов сохранения массы и энергии, что масса и энергия никуда не пропадают и не возникают из ниоткуда.

Совершенно верно: фотон, будучи порцией чистой энергии, всю ее (себя) передает тому электрону того атома того вещества, в которое попал. Электрон целиком проглатывает этот квант энергии и становится возбужденным, то есть более энергичным, перескакивая при этом на более высокую орбиту.

А потом?

А потом возбужденный электрон сбрасывает возбуждение, излучая фотон и «успокаивается», вновь опускаясь на прежнюю низкую орбиту. Именно так происходит рассеивание голубого света в атмосфере – фотоны беспорядочно скачут от одной молекулы воздуха к другой. Так происходит отражение света от зеркала. И почти также происходит переизлучение в другом диапазоне: например, закопченное, то есть покрытое черной сажей. стекло свет не отражает, а поглощает. То есть электроны сажи хватают фотон, возбуждаются, но потом, в силу особых свойств сажи, переизлучают его с другой частотой – в виде квантов инфракрасного, то бишь теплового излучения. Это значит, что черные тела типа сажи быстро нагреваются на свету. Поэтому на юге, где много солнечного света, лучше иметь белый автомобиль или серебристый – меньше нагреваться будет и больше отражать. А вот бак для нагрева воды солнцем надо непременно делать черным – вода в нем быстрее прогреется.

Впрочем, мы отвлеклись… Итак, еще сто лет назад физики знали всего три частицы – протон, электрон и нейтрон, причем нейтрон был еще не открыт, а только предсказан (открыт он был лишь в 30-е годы ХХ века).

Однако, изучая в верхних слоях атмосферы космические лучи, то есть прилетающее на Землю из космоса излучение разного рода, ученые обнаружили и другие частицы. И даже античастицы! Именно так была обнаружены первая античастица – позитрон.

Почему их назвали античастицами? Потому что свойства античастиц как бы противоположны свойствам частиц, и при встрече частицы с античастицей происходит их аннигиляция, то есть взаимоуничтожение – этакий микроскопический взрыв, при котором обе массы (частицы и античастицы) переходят в чистую энергию, то есть в кванты электромагнитного излучения – на месте двух солидных частиц с массой образуется яркая и безмассовая фотонная вспышка.

Позитрон – это антиэлектрон. Он имеет точно такую же массу, точно такой же размер, что и электрон. У него такой же спин, то есть свойство вращения, как у электрона, но электрический заряд у позитрона положительный, а не отрицательный. Иными словами, позитрон – точная копия электрона, только с противоположным зарядом. И этого хватает для взрывного взаимоуничтожения при встрече – аннигиляции.

Позже были найдены античастицы и для других частиц. Антипротон, например, имеет все те же характеристики, что и обычный протон, вот только заряд у него не положительный, а отрицательный. Однако при встрече антипротона с протоном происходит все то, что и должно происходить при встрече античастиц – аннигиляция.

Вообще говоря, аннигиляция – самый энергичный процесс из известных человечеству. Аннигиляционный взрыв в тысячи раз мощнее взрыва водородной бомбы. Потому что при взрыве атомной или водородной бомбы только часть массы реагирующего вещества переходит в энергию. А тут – вся масса! В том и состоит основной прикол аннигиляции, что она целиком превращает массу в излучение.

Самая большая водородная бомба, когда-либо взорванная человечеством, имела мощность в 50 мегатонн в тротиловом эквиваленте, то есть для взрыва такой же силы потребовалось бы 50 миллионов тонн обычной взрывчатки (тротила) – это миллион грузовых вагонов по 50 тонн каждый, что превышает мощность всей взрывчатки, использованной во Второй мировой войне. При этом сама водородная бомба весила всего 27 тонн, а действующего вещества (дейтерия) в ней было всего-то несколько тонн, все остальное – вспомогательное оборудование. А вот если бы могли осуществить взрыв такой мощности при помощи антивещества, потребовались бы уже не тонны, а всего 1 кг антивещества и 1 кг вещества.